Дипломная работа: Исследование и разработка составов масс высоковольтного фарфора с повышенными электромеханическими характеристиками

Тсп=799.41+133.72х1+15.51х2 ,

где Тсп – температура спекания;

х1 – соотношения содержания оксидов K и Na (K2O:Na2O);

х2 – отношение содержания α-Al2O3 к сумме оксидов щелочных металлов (α-Al2O3:∑R2O).

Таблица 6 Характеристики исследуемых смесей

Анализ уравнения показывает, что увеличение как соотношения K2O:Na2O, так и соотношения α-Al2O3:∑R2O приводит к повышению температуры спекания. При этом увеличение соотношения K2O:Na2O на 0.1 повышает температуру спекания на 13.4ºС, а увеличение соотношения α-Al2O3:∑R2O на 1.0(5.0) – на 15.5ºС (77.5ºС). Таким образом, для снижения температуры спекания целесообразней уменьшить соотношение K2O:Na2O.

В табл.6 приведены значения модуля упругости образцов, обожженных при температуре их спекания, при различных соотношениях K2O:Na2O и α-Al2O3:∑R2O в смесях. С увеличением соотношения α-Al2O3:∑R2O наблюдается рост модуля упругости материала. Возрастание соотношения K2O:Na2O при постоянном соотношении α-Al2O3:∑R2O также сопровождается повышением модуля упругости образцов.

Одна и та же величина модуля упругости может быть достигнута при различных соотношениях K2O:Na2O и α-Al2O3:∑R2O в материалах.

Обработка экспериментальных данных позволила получить уравнение 2-го порядка

М=37.85+13.80х1-17.07х2-76.60х3-4.41х1х2+6.44х1х3+24.28х2х3-0.11х12- 1.82х22+32.56х32,

где М – модуль упругости, 104 МПа;

х1 – соотношение K2O:Na2O;

10*х2 – соотношение α-Al2O3:∑R2O;

103*х3 – температура обжига, ºС.

Частные производные по х1 и х2 равны:

∂М/∂х1=13.80-0.22х1-4.41х2-6.44х3;

∂М/∂х2=-17.07-4.41х1-3.64х2+24.28х3. (1)

Из условия ∂М/∂хi=0 получены уравнения, позволяющие определить значения х1 и х2, при которых модуль упругости имеет экстремум

х1=62.73-20.05х2-29.27х3; (2)

х2=-4.69-1.21х1+6.67х3. (3)

По уравнению (2) при заданных величинах температуры обжига и соотношения α-Al2O3:∑R2O можно выявить соотношение K2O:Na2O, при котором модуль упругости принимает максимальное значение. Аналогично по уравнению (3) можно найти соотношение α-Al2O3:∑R2O, при котором модуль упругости максимален при заданных значениях температуры обжига и соотношения K2O:Na2O.

При постоянной температуре обжига поверхность, описываемая уравнением (1), имеет вид «седла» - гиперболического параболоида.

Решив систему уравнений (2) и (3), получим координаты «седловинной» точки в зависимости от температуры обжига

х1=7.01х3-6.74; (4)

х2=3.47-1.81х3. (5)

Из уравнений (4) и (5) следует, что при повышении температуры обжига координаты «седловинной» точки сдвигаются в сторону бóльших значений соотношения K2O:Na2O и меньших значений соотношения α-Al2O3:∑R2O. Поскольку в этой точке модуль упругости принимает минимальное из максимальных значение, при увеличении температуры обжига целесообразно выбирать составы с минимально возможным для получения спеченного материала значением соотношения K2O:Na2O. Соответственно при пониженных температурах обжига для повышения модуля упругости рациональнее увеличивать соотношение K2O:Na2O, а не α-Al2O3:∑R2O.

Ограничения, накладываемые на соотношения α-Al2O3:∑R2O и K2O:Na2O, обусловлены характеристиками сырья и возможностями технологического процесса.

Следует также отметить, что при постоянном значении соотношения α-Al2O3:∑R2O, меньшем значения, соответствующего уравнению (2), с увеличением соотношения K2O:Na2O модуль упругости повышается. При постоянных значениях соотношения α-Al2O3:∑R2O, больших значения, соответствующего уравнению (2), с возрастанием соотношения K2O:Na2O модуль упругости снижается.

Установленные математические модели могут быть использованы для выбора состава масс с оптимальными свойствами [5].

Влияние фазового состава фарфора на его механическую прочность

Фазовый состав обожженного фарфора в значительной степени зависит от свойств сырьевых материалов. Для производства высоковольтных изоляторов из фарфора подгруппы 120 используется глиноземистая масса, содержащая 25% глинозема. Различие в свойствах поступающего сырья приводит к изменению фазового состава керамики. Кроме того, на фазовый состав оказывает влияние изменение шихтового состава массы, что обусловлено необходимостью поддержания ее технологических свойств на заданном уровне. В шихтовой состав массы вводят глинозем, полевой шпат, пегматит, бой фарфора после первого обжига, кыштымский каолин, просяновский каолин, глина.

Изменения фазового состава, вызванные колебаниями свойств сырья и шихтового состава массы, оказывают влияние и на физико-механические характеристики обожженного материала. По данным химического анализа содержание оксидов изменяется в следующих пределах (%): 41.20 – 46.37 SiO2, 43.40 – 47.70 Al2O3, 0.31 – 0.95 Fe2O3, 0.17 – 1.37 TiO2, 0.40 – 1.28 CaO, 0.11 – 0.69 MgO, 2.07 – 3.45 K2O, 0.90 – 1.47 Na2O, 4.60 – 6.01 п.п.п. Прочность при изгибе при этом составляет 108 – 154 МПа, при растяжении – 50 – 78 МПа.

В получаемом в процессе обжига фарфоре присутствуют следующие фазы: корунд, муллит, остаточный кварц, стекловидная фаза и газовая фаза (поры). На основании данных химического анализа были рассчитаны фазовые составы материалов с учетом допущений:

- корунд не растворяется в стеклофазе при технологических режимах обжига и помола глинозема, принятых в производстве;

- в стеклофазе растворяется около 25% образующего муллита и остаточного кварца;

- количество газовой фазы постоянно.

Таким образом, было рассчитано 69 фазовых составов глиноземистого фарфора, в которых содержание муллита находится в пределах 14.47 – 19.57%, остаточного кварца – 6.83 – 15.29%, и стеклофазы – 43.66 – 51.80%. Расчеты были подтверждены выборочным рентгенофазовым анализом.

Влияние фазового состава фарфора на его прочность при изгибе и растяжении можно определить по уравнениям:

σи=-425.7+46.15М+21.29S-0.588+M2+0.017S2; (1)

σр=-9.853+12.13М-0.774S-0.3765МS-0.1643М2+0.1351S2 (2)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15